Квантовый мир оказался еще более странный, чем думали ранее

Новое экспериментальное свидетельство коллективного поведения электронов с образованием «квазичастиц», называемых «энионами», было получено группой ученых из Университета Пердью.

Любые из них обладают характеристиками, которых нет у других субатомных частиц, в том числе демонстрируют дробный заряд и дробную статистику, которые поддерживают «память» о своих взаимодействиях с другими квазичастицами, вызывая квантово-механические фазовые изменения.

Хотя эта работа может в конечном итоге оказаться актуальной для разработки квантового компьютера, на данный момент ее следует рассматривать как важный шаг в понимании физики квазичастиц. Исследовательская статья об открытии была опубликована в журнале Nature Physics на этой неделе.

Лауреат Нобелевской премии физик-теоретик Фрэнк Вильчек, профессор физики в Массачусетском технологическом институте, дал этим квазичастицам насмешливое название «энион» (anyon) из-за их странного поведения, потому что в отличие от других типов частиц они могут принимать «любую» квантовую фазу, когда их позиции меняются.

До того, как в 2020 году появилось все больше свидетельств наличия энионов, физики разделили частицы известного мира на две группы: фермионы и бозоны. Электроны являются примером фермионов, а фотоны, составляющие свет и радиоволны, являются бозонами.

Одно характерное различие между фермионами и бозонами заключается в том, как частицы действуют, когда они запутаны друг вокруг друга. Фермионы реагируют одним прямым способом, а бозоны-другим ожидаемым и прямым способом.

Энионы реагируют так, как будто у них есть дробный заряд, и, что еще более интересно, создают нетривиальное изменение фазы, когда они запутаны. Это может дать энионам своего рода «память» об их взаимодействии.

«Энионы существуют только как коллективные возбуждения электронов при особых обстоятельствах», — говорят ученые. «Но у них действительно есть эти интересные свойства, включая дробный заряд и дробную статистику. Это забавно, потому что вы думаете:« Как они могут иметь меньший заряд, чем элементарный заряд электрона?» Но они это делают.»

Ученые говорят, что при обмене бозонами или фермионами они генерируют фазовый коэффициент либо плюс один, либо минус один, соответственно.

«В случае наших энионов фаза, генерируемая запутыванием, была 2π / 3. Это отличается от того, что видели в природе раньше».

«Энионы проявляют такое поведение только в виде коллективных скоплений электронов, где многие электроны ведут себя как один в очень экстремальных и особых условиях, поэтому они не считаются изолированными в природе».

«Обычно в мире физики мы думаем об элементарных частицах, таких как протоны и электроны, и обо всем, что составляет периодическую таблицу. Но мы изучаем существование квазичастиц, которые возникают из моря электронов, помещенных в определенные экстремальные условия».

Поскольку это поведение зависит от того, сколько раз частицы запутывались друг с другом, они более устойчивы по своим свойствам, чем другие квантовые частицы. Эта характеристика называется топологической, потому что она зависит от геометрии системы и в конечном итоге может привести к созданию гораздо более сложных энионных структур, которые можно было бы использовать для создания стабильных топологических квантовых компьютеров.

Ученые смогли продемонстрировать это поведение, направив электроны через специфическую травленую наноструктуру, похожую на лабиринт, сделанную из арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия. Это устройство, называемое интерферометром, ограничивало движение электронов по двумерной траектории.

Устройство охлаждали с точностью до одной сотой градуса от абсолютного нуля (10 милликельвинов) и подвергали воздействию мощного магнитного поля 9 Тесла. Электрическое сопротивление интерферометра создало интерференционную картину, которую исследователи назвали «пижамным сюжетом». Скачки интерференционной картины были признаком присутствия энионов.

«Это определенно одна из самых сложных и уникальных вещей, которые нужно делать в экспериментальной физике», — сказал Четан Наяк, физик-теоретик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Следующим шагом в изучении квазичастиц будет создание более сложных интерферометров.

В новых интерферометрах у физиков будет возможность контролировать расположение и количество квазичастиц в камере. Тогда можно будет изменять количество квазичастиц внутри интерферометра по запросу и изменять интерференционную картину по своему усмотрению.

J. Nakamura et al. Direct observation of anyonic braiding statistics, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-1019-1